Le robot s'appuie sur des informations sur la dynamique des palourdes de l'Atlantique

Le couteau de l'Atlantique utilise très peu d'énergie pour s'enfouir dans le sol sous-marin à grande vitesse. Maintenant, un aperçu détaillé de la façon dont l'animal creuse a conduit au développement d'une palourde robotique qui peut effectuer le même tour.

L'appareil, connu sous le nom de RoboClam, pourrait être utilisé pour s'enfoncer dans le sol pour enterrer des ancres ou détruire des mines sous-marines, selon son développeur, Amos Winter, professeur adjoint de développement de carrière Robert N. Noyce en génie mécanique au MIT.

Un couteau de rasoir (à gauche) et le RoboClam. Photo de Donna Coveny.

Malgré sa coquille rigide, le couteau de l'Atlantique (Ensis directus) peut se déplacer dans le sol à une vitesse de 1 centimètre par seconde. De plus, l'animal est capable de creuser jusqu'à 0,5 km en utilisant uniquement la quantité d'énergie contenue dans une pile AA. L'astuce de la palourde consiste à déplacer ses coquilles de manière à liquéfier le sol autour de son corps, réduisant ainsi la traînée agissant sur elle, explique Winter. Cela signifie qu'il faut beaucoup moins de force pour tirer sa coquille dans le sol que lorsqu'il se déplace dans un sol statique.

Pour développer un robot capable d'effectuer le même tour, Winter et son co-développeur, Anette Hosoi, professeur de génie mécanique et de mathématiques appliquées au MIT, devaient comprendre comment le mouvement de la palourde provoque la liquéfaction du sol, ou se transforme en sable mouvant, autour de sa coquille. Maintenant, dans un article à paraître dans la revue Bioinspiration et Biomimétique , les chercheurs révèlent pour la première fois la mécanique derrière ce processus et décrivent comment leur robot est capable d'imiter cette action.

Mécanique des sables mouvants

Lorsque le couteau rasoir commence à creuser, il rétracte d'abord sa coquille, libérant ainsi la tension entre son corps et le sol qui l'entoure. Cela provoque l'effondrement du sol, créant un glissement de terrain localisé autour de l'animal. Au fur et à mesure que la palourde continue de se contracter, réduisant son propre volume, elle aspire de l'eau dans cette région de sol défaillant. Les particules d'eau et de sable se mélangent, créant un substrat fluidisé - les sables mouvants.

Mais le timing est crucial. Si la palourde bougeait sa coquille trop lentement, les particules de sable s'effondreraient autour de l'animal sans se fluidifier, dit Winter. Cependant, si la palourde se déplaçait trop rapidement, cela ne laisserait pas aux particules de sable suffisamment de temps pour se mélanger à l'eau qui s'écoule et elles resteraient simplement immobiles. Nos données ont montré qu'il y avait une transition très abrupte entre la possibilité de fluidiser le sol et l'absence de déplacement des particules du sol, dit-il.

Pour développer un système d'ancrage à faible énergie capable de créer des sables mouvants autour de lui de cette manière, les chercheurs ont construit une coquille de marionnette mécanique, composée de deux moitiés qui peuvent se déplacer ensemble et s'écarter de la même manière qu'un accordéon. La palourde marionnette est reliée à une tige, qui peut ouvrir et fermer la coquille et la pousser de haut en bas, créant les mêmes contractions que l'animal peut réaliser.

Pour faciliter le test de leur prototype RoboClam dans l'eau salée, les chercheurs ont utilisé un système d'air comprimé pour alimenter l'expansion et la contraction des coquilles. L'équipe de Winter développe actuellement une version électronique, qui la rendra compatible avec les véhicules sous-marins développés par le sponsor de l'équipe, Bluefin Robotics, une entreprise dérivée du MIT basée à Quincy, Mass.

Ancrage économe en énergie

Winter a commencé à développer le RoboClam pour sa recherche de doctorat en 2006, aux côtés de Hosoi. Les chercheurs voulaient trouver un moyen d'ancrer des véhicules sous-marins autonomes à un fond marin ou fluvial sans consommer beaucoup d'énergie. Les véhicules robotisés ont une puissance de batterie limitée, donc toute énergie consommée par le système d'ancrage réduirait la durée de fonctionnement de l'appareil.

Vous pouvez utiliser ces véhicules dans un courant et avoir besoin qu'ils soient immobiles - par exemple, pour surveiller une situation biologique ou à des fins militaires, dit Winter. Vous ne voudriez pas que le véhicule fasse constamment tourner ses hélices pour rester au même endroit, car cela ne fait que gaspiller de l'énergie, donc ce serait bien si vous pouviez simplement déployer une ancre et maintenir votre position sans dépenser d'énergie.

En plus d'ancrer des véhicules sous-marins et de faire exploser des mines, le RoboClam pourrait également être utilisé pour poser des câbles sous-marins, explique Winter. Les entreprises qui posent des câbles transatlantiques utilisent traditionnellement un navire pour faire glisser un traîneau au fond de l'océan pour creuser un creux, poser le câble et le recouvrir. Cependant, lorsque la profondeur de l'eau de l'océan descend à 10 mètres ou moins, elle devient trop peu profonde pour que les navires puissent y circuler. Cela signifie que des plongeurs humains doivent prendre en charge la pose et l'enfouissement des câbles, ce qui prend du temps et coûte cher. Avoir un système qui pourrait simplement s'accrocher au câble, se frayer un chemin et le creuser automatiquement dans le sol serait formidable, dit Winter.

Daniel Goldman, professeur agrégé de physique au Georgia Institute of Technology qui n'a pas été impliqué dans la recherche, dit que l'article contient une belle intégration de la biologie et de la robotique. Il utilise les connaissances de la physique des sols pour faire progresser notre compréhension de la biomécanique derrière un exploit impressionnant de locomotion d'organismes - creuser verticalement dans le sol, dit Goldman.

En découvrant un principe derrière cette capacité - la fluidisation localisée - les chercheurs sont capables de donner à une palourde robotique, RoboClam, des capacités similaires. Et l'étude du robot donne un aperçu plus approfondi des mécanismes importants derrière le creusement par fluidisation localisée, ajoute-t-il.

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